【原】Zookeeper 概述 + 官网 Overview 翻译

分布式应用

分布式应用 distributed application可以在给定时间（同时）在网络中的多个系统上运行，通过协调它们以快速有效的方式完成特定任务。

(a), (b): a distributed system.  (c): a parallel system.

通过将分布式应用配置为在更多系统上运行，可以进一步减少完成任务的时间。分布式应用正在运行的一组系统称为集群，而在集群中运行的每台机器被称为节点。

分布式应用有两部分， Server（服务器）和 Client（客户端）应用程序。服务器应用程序实际上是分布式的，并具有通用接口，以便客户端可以连接到集群中的任何服务器并获得相同的结果。 客户端应用程序是与分布式应用进行交互的工具。

分布式应用的优点

• 可靠性 - 单个或几个系统的故障不会使整个系统出现故障。

• 可扩展性 - 可以在需要时增加性能，通过添加更多机器，在应用程序配置中进行微小的更改，而不会有停机时间。

• 透明性 - 隐藏系统的复杂性，并将其显示为单个实体/应用程序。

分布式应用的缺点

• 竞争条件 - 两个或多个机器尝试执行特定任务，实际上只需在任意给定时间由单个机器完成。例如，共享资源只能在任意给定时间由单个机器修改。

• 死锁 - 两个或多个操作等待彼此无限期完成。

• 不一致 - 数据的部分失败。

Apache ZooKeeper定义

官网定义：Apache ZooKeeper is an effort to develop and maintain an open-source server which enables highly reliable distributed coordination.

Apache ZooKeeper 是一个分布式的，开放源码的分布式应用程序协调服务。允许开发人员专注于核心应用程序逻辑，而不必担心应用程序的分布式特性。它是Google的Chubby一个开源的实现，是Hadoop，HBase和其他分布式框架使用的有组织服务的标准。HBase使用ZooKeeper跟踪分布式数据的状态。

Apache ZooKeeper 是由集群（节点组）使用的一种服务，用于在自身之间协调，并通过稳健的同步技术维护共享数据。ZooKeeper本身是一个分布式应用程序，为写入分布式应用程序提供服务。

ZooKeeper 提供的常见服务如下 :

• 命名服务 - 按名称标识集群中的节点。它类似于DNS，但仅对于节点。

• 配置管理 - 加入节点的最近的和最新的系统配置信息。

• 集群管理 - 实时地在集群和节点状态中加入/离开节点。

• 选举算法 - 选举一个节点作为协调目的的leader。

• 锁定和同步服务 - 在修改数据的同时锁定数据。此机制可帮助你在连接其他分布式应用程序（如Apache HBase）时进行自动故障恢复。

• 高度可靠的数据注册表 - 即使在一个或几个节点关闭时也可以获得数据。

ZooKeeper 解决分布式应用缺点的方式

• 竞争条件和死锁 - 使用故障安全同步方法处理 。
• 不一致 - 使用原子性解析。

官网Overview 的翻译

官网地址

Design Goals（设计目标）

• simple 简单

ZooKeeper 允许分布式进程通过共享的层级命名空间相互协调（这和标准文件系统类似）。名称空间由数据寄存器 znode 组成（这和文件和目录类似）。但是与用于存储的典型文件系统不同，ZooKeeper数据保存在内存中，这意味着ZooKeeper可以实现高吞吐量和低延迟数量。

ZooKeeper 的实现非常重视高性能、高可用、严格有序访问。ZooKeeper的性能方面意味着它可以在大型分布式系统中使用。 可靠性方面使确保ZooKeeper不会成为单点故障a single point of failure。严格有序意味着可以在客户端实现复杂的同步原语（synchronization primitives）。

• replicated 复制

（1）与它协调的分布式进程一样，ZooKeeper本身也可以在一组主机上进行复制，这组主机称为集合（ensemble）。

（2）组成 ZooKeeper服务的服务器必须彼此了解。 它们在内存中维护状态的图像（in-memory image of state），在持久性存储中维护事务日志和快照。只要大多数服务器可用，ZooKeeper服务就可用。
（3）客户端连接到单个ZooKeeper服务器。客户端维护TCP连接，通过该连接发送请求、获取响应、获取监视事件、发送心跳包。 当与服务器的TCP连接中断时，客户端将连接到其他服务器。

ZooKeeper Service

• ordered 有序

为了反映所有事务的顺序，ZooKeeper用数字标记每个更新。后续操作可以使用该顺序来实现更高级别的抽象，例如同步原语。

• fast 快速

ZooKeeper 在 读主宰“read-dominate” 工作负载中尤其快速。ZooKeeper应用程序在数千台计算机上运行，并且在读取比写入更常见的情况下表现最佳，比率大约为10：1。

Data model and the hierarchical namespace（数据模型和分层命名空间）

ZooKeeper提供的名称空间非常类似于标准文件系统。 名称是由斜杠（/）分隔的路径元素序列。 ZooKeeper名称空间中每个节点都由路径标识。

ZooKeeper's Hierarchical Namespace

Nodes and ephemeral nodes（节点和临时节点）

（1）与标准文件系统不同，ZooKeeper命名空间中 每个节点都可以包含与之关联的数据以及子项，就像一个允许文件作为目录的特殊文件系统。

（2）ZooKeeper旨在存储协调数据：状态信息，配置，位置信息等，因此存储在每个节点的数据通常很小，在字节到千字节之间。这种数据节点称为 znode。
znode 维护一个状态结构（stat structure），包括数据更新的版本号version number、ACL change、时间戳，以允许缓存验证和协调更新。每次znode的数据更改时，版本号都会增加。当客户端检索数据时，也会接收到数据对应的版本。

存储在命名空间每个znode内的数据读取和写入具有原子性。读取获取与znode关联的所有数据字节，写入会替换所有数据。每个节点都有一个访问控制列表（ACL），限制谁可以做什么。

ZooKeeper也有短暂节点（ephemeral nodes）的概念。仅当创建某个znode的会话处于活动状态时，这个znode才存在。会话结束，znode将被删除。

Conditional updates and watches（有条件的更新和监控 ）

ZooKeeper支持监控（watch）的概念。客户端可以在znodes上设置一个监控。当znode更改时，监控会被触发trigger并移除remove。一旦监控被触发，客户端会收到一个数据包告知znode已更改。如果客户端与其中一个ZooKeeper服务器之间的连接中断，客户端将收到本地通知。

Guarantees（保证 ）

• 顺序一致性 Sequential Consistency - 提交到客户端的更新将按顺序执行。

• 原子性 Atomicity - 更新只有成功或失败两种结果。 没有中间结果。

• 单一系统映像 Single System Image - 无论服务器连接到哪个服务器，客户端都将看到相同的服务视图。

• 可靠性 Reliability - 一旦更新被应用，它会从那个时间一直保持到知道被下次更新覆盖。

• 及时性 Timeliness - 系统的客户视图保证在一定时间内是最新的

Reliability（可靠性）

在7台机器组成的Zookeeper服务上测试，得到结论：

（1）如果 followers 失败并迅速恢复，那么即使失败，ZooKeeper也能够维持高吞吐量。

（2）更重要的是，leader选举算法允许系统足够快地恢复，以防止吞吐量大幅下降。 在我们的观察中，ZooKeeper选择新leader的时间不到200毫秒。

（3）随着 follower 的恢复，ZooKeeper能够在开始处理请求后再次提高吞吐量。

参考：https://www.w3cschool.cn/zookeeper/zookeeper_overview.html